泡沫金属填充圆管横向线载荷作用下的压入分析

泡沫金属填充薄壁圆管结构越来越广泛地应用于各种工程结构。压入是这种复合结构在侧向承载时出现的一种重要的变形模式,但尚缺乏有效的理论分析模型。该文在Wierzbicki等提出的空管侧向压入的理论模型的基础上,建立了泡沫金属填充薄壁圆管侧向压入的理论分析模型,给出了压头载荷的解析表达式。通过实验比较表明,理论预测值合理地吻...     

泡沫铝填充碳纤维增强树脂复合材料薄壁管的压缩变形行为与吸能特性

将填加造孔剂法制备的泡沫铝物理嵌入碳纤维增强树脂(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)复合材料薄壁管中,从而获得泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的复合结构。针对CFRP薄壁管、泡沫铝和泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管分别开展准静态压缩试验测试其压缩和吸能性能,并在压缩过程中采用数字图像相关技术(Digital image correlation,DIC)同步分析其变形模式;进一步研究在不同环境温度下(25~150℃)泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的压缩与吸能性能及失效模式。结果表明:泡沫铝作为填充芯材改变了CFRP复合材料薄壁管的压缩变形行为,由单一CFRP复合材料薄壁管的散射开花失效转变为泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的纤维层断裂失效。同CFRP复合材料薄壁管相比,泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的应力波动显著减小。随环境温度的升高,CFRP复合材料薄壁管、泡沫铝和泡沫铝填充CFRP复合材料薄壁管的压缩与吸能性能均不断降低,但泡沫铝与CFRP复合材料薄壁管之间的交互作用增强,泡沫铝对CFRP复合材料薄壁管的增强作用在高温下表现更为显著。      

复合材料/铝复合管轴向准静态及冲击压溃的吸能特性

用数值模拟方法,研究了方形和圆形截面的复合材料/铝复合管在轴向准静态及冲击压溃下的吸能特性,计算得到压溃力-位移曲线。通过将一组方形截面复合管在准静态压溃条件下的计算结果与文献的实验数据进行对比,以验证有限元模型和参数设置的正确性。在铝管的管厚、管长以及截面外周长相同,缠绕不同厚度的复合材料情况下,对比分析了方形和圆形截面复合管在准静态及冲击压溃条件下的轴向压溃吸能特性。结果表明,复合管的截面构型对其吸能效果影响很大,在轴向准静态压溃条件下,圆形截面复合管吸能能力要强于方形截面复合管;冲击压溃吸能量不但与结构自身吸能力有关,还受到外界冲击大小的影响。在设计复合材料层厚度时,需要控制复合管的刚度,避免回弹造成吸能量的降低。     

圆弧刻槽薄壁圆管轴向压溃吸能特性数值研究

目的为了提高能量吸收效率,设置出一种合理的诱导结构,对吸能构件产生积极影响。方法薄壁圆管设计一种环向圆弧刻槽诱导结构,在不同长径比、径厚比和刻槽深度的条件下研究薄壁结构吸能特性。结果吸能量与圆管长径比和径厚比成反比,初始压溃载荷随刻槽深度增加而减小。结论在不同的条件下,刻槽结构能够有效降低初始载荷,并获得较为平稳的压溃载荷平台。     

数值模拟中细观泡孔构型对硅橡胶泡沫材料力学性能的影响

基于有限元方法模拟准静态单轴压缩过程中硅橡胶泡沫材料的力学响应,并基于硅橡胶泡沫材料的泡孔特征,建立具有均匀分布且球孔尺寸一致的周期性物理模型,采用多尺度结合有限元数值方法进行模拟。根据已有的实验数据,拟合了实体硅橡胶材料的唯像本构方程。多尺度模拟研究中,建立了四种不同的细观泡孔单元,模拟了四种细观泡孔单元在准静态单轴压缩条件下的力学响应。模拟结果表明,四种细观泡孔单元均具有典型的超弹性力学特性,不同泡孔构型能造成细观模型力学响应的显著差异,四种细观泡孔单元中应力最大差值超过300%。细观模型的力学性能通过数据传递机制传输到均匀化的宏观模型后,采用有限元方法对宏观模型进行数值模拟。结果表明:宏观模型具有典型的超弹性力学特性,不同的细观泡孔构型能导致宏观模型力学响应的显著差异,其中应力最大差值超过300%。     

泡沫钢填充管的准静态压缩变形模式、力学性能及吸能特性

本工作以430L不锈钢粉为原料,采用粉末冶金法制备泡沫钢,然后通过物理粘结法将泡沫钢芯与薄壁金属管结合,分别对空管和泡沫金属填充管进行准静态轴向压缩实验,并对比分析空管和填充管的压缩变形模式、力学性能和吸能性能.研究表明:在压缩变形过程中,空铝管和泡沫钢填充铝管均呈现轴对称变形模式,而空钢管呈现非轴对称变形模式,泡沫钢填充钢管呈现混合变形模式;泡沫钢填充铝管抗压强度约为56.09 MPa,比泡沫铝填充铝管高1.69倍;泡沫钢填充钢管抗压强度高达116.03 MPa,比泡沫铝填充钢管高1.05倍;当应变量为40％时,泡沫钢填充铝管单位体积能量吸收值为27.93 MJ/m3,是泡沫铝填充铝管吸能值的2.91倍,泡沫钢填充钢管单位体积能量吸收值为35.98 MJ/m3,是泡沫铝填充钢管吸能值的1.15倍;当泡沫钢填充铝管的壁厚由1 mm增大到2 mm时,泡沫钢填充管的平台应力值增大1.36倍;在应变量为40％时,单位体积能量吸收值增大1.26倍,同时泡沫钢填充管在压缩过程中的变形褶皱数随着壁厚的增加而减少.     

闭孔泡沫铝缓冲性能及其变形失效机理研究

在闭孔泡沫铝的准静态压缩实验基础上,研究不同孔隙率下的力学性能和吸能性能,分析其压缩变形机理。结果表明,闭孔泡沫铝的压缩过程存在明显的3个阶段:线弹性阶段、塑性平台阶段和致密化阶段。随着孔隙率的增大,闭孔泡沫铝的屈服强度、弹性模量和压实应力均减小。在压缩过程中,吸能效率和理想吸能效率均是先上升后下降。孔隙率对吸能效率影响较大,对最大理想吸能效率影响不大。将理想吸能效率曲线和吸能效率曲线结合可以选择合适的缓冲材料,发挥其最佳吸能特性。闭孔泡沫铝在准静态压缩条件下有良好的塑性变形能力,变形呈逐层破坏的特征。     

石膏型渗流制备泡沫铝填充圆管压缩行为研究

采用石膏型渗流制备开孔泡沫铝并填充到薄壁圆管,制成泡沫铝夹心管.通过准静态压缩试验研究了泡沫铝夹心管的压缩行为.结果表明:采用石膏型渗流法制备的泡沫铝孔隙率在85％左右,其压缩变形阶段可分为弹性段、塑性平台段和致密化段;空心圆管的压缩行为与其本身的结构参数有关;泡沫铝夹心管的力学性能与吸能能力比空心圆管和泡沫铝有了一定...     

诱导结构对泡沫铝填充薄壁方管轴向压溃特性影响的研究

建立了泡沫铝填充薄壁方管的有限元模型,利用试验对泡沫铝填充薄壁方管的有限元模型的准确性进行了验证。研究了诱导结构的类型和数量对泡沫铝填充薄壁方管的轴向压溃变形模式、初始峰值力、压溃力效率和能量吸收能力的影响,结果表明:设计诱导结构可以提高能量吸收能力、减小初始峰值力、增加压溃力效率,甚至可以改变压溃变形模式。沿薄壁方管的轴向方向合理地增加诱导结构的数量,可以进一步的减小初始峰值力、增加压溃力效率、提高结构的能量吸收能力。通过等级评价方法,确定沿薄壁方管的轴向方向设计4组诱导四角方孔可以使泡沫铝填充薄壁方管获得最佳的综合吸能特性。     

星型-箭头蜂窝结构的面内动态压溃行为

基于内凹机制,将星型和双箭头蜂窝的微结构巧妙结合,提出了一种新型拉胀蜂窝模型（简称星型-箭头蜂窝（SAH））。基于该模型,采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对其在不同冲击速度和不同相对密度下的变形模式进行了数值模拟研究。结果表明,在星型蜂窝（SSH）中加入箭头蜂窝的微结构将会减弱较低速度下动态压缩SSH时出现的局部"颈缩"现象,使SAH靠近冲击端附近出现了明显的"菱形"变形带,并具有更长的平台区和更高的平台应力。此外,在不同冲击速度下SAH单位质量的吸能值均大于SSH。详细讨论了冲击速度和相对密度对SAH平台应力的影响规律,并给出了平台应力的经验计算公式。      

Investigating the quasi-static axial crushing behavior of polymeric foam-filled composite pultrusion square tubes

The capability of structures to absorb large amounts of energy is a crucial factor, particularly for structural components of vehicles, in reducing injury in case of collision. In this study, an experimental investigation was conducted to study the crashworthiness of polymeric foam-filled structures to the pultruded square cross-section E-Glass fiber-reinforced polyester composite tube profiles. Quasi-static compression was applied axially to composite tubes to determine the response of the quasi-static load displacement curve during progressive damage. Three pultruded composite tube wall thicknesses at different sizes were examined, and the effects of crushing behavior and failure modes were analyzed and discussed. Experimental results indicated that the foam-filled profile is superior to the non-filled foam composite tube profile in terms of the capacity to absorb specific energy.     

The effect of tube end constraining on the axial crushing behavior of an aluminum tube

The effect of various types of end constraining on the deformation and load–displacement behavior of a 3003-H14 Al tube were experimentally and numerically studied. No effect of single-end constraining of tubes was found. Few conditions of double-end constraining tended to revert the deformation mode to mixed and/or diamond mode of deformation. Double-end constraining of tube ends further resulted in an increase in initial drop-load values, widening the initial overshot region in average load–displacement curves. The agreement between numerical and experimental results showed the capabilities of the used numerical model in order to predict end-condition effects in tubular structures.     

Quasi-static and dynamic crushing of empty and foam-filled tubes

Metallic foam-filled tubes and their empty counterparts have been tested at quasi-static and dynamic strain rates in order to determine their energy absorption capabilities. Data from the Split-Hopkinson Pressure Bar have been used to generate force vs. displacement curves that are somewhat analogous to pseudo-engineering stress-strain curves. Force balance calculations have also been made. These results indicate that, on an equal weight basis, foam-filled tubes offer greater energy absorption capability than empty tubes at quasi-static strain rates. However, the benefit of foam filling does not appear to be extended to strain rates of the order of 200–500 s^–1. Force balance calculations are shown to have potential as a method for monitoring the crushing of metallic foams at high strain rate.     

Axial compression of foam-filled thin-walled circular tubes

The effect of low density polyurethane foam on the axial crushing of thin-walled (D/t>600) circular metal tubes is studied under quasi-static and dynamic loading conditions. The mode of deformation of the tube is found to change from irregular diamond crumpling to axisymmetric bellows folding due to the filler. Assuming the axisymmetric mode of crushing and using the model of foam recently developed (M.F. Ashby, Metals Trans.14A, 1755–1769, 1983), the behaviour is analysed. Theoretical predictions agree well with experiments. Numerical results show that there is an optimum foam density which produces a maximum specific energy absorption of the filled cylinders.     

填充泡沫铝的多层铝管动态压溃吸能特性研究

采用数值模拟的方法研究和分析了无填充物的多层铝管结构的吸能特性,结果发现多层铝管相比单层铝管,不但具有较大的吸能量,而且还具有较高的比吸能率;在此基础上,设计了不同层数的多层管泡沫铝填充结构,研究发现泡沫铝不但受轴向压溃变形,同时也受到了铝管层之间的相互作用力使其在径向发生了变形;之后对多层管填充3种不同密度的泡沫铝,采用变参分析的方法研究了多层管层数和泡沫铝密度对整个结构吸能特性的影响;研究结果表明:填充泡沫铝的多层管,随着层数的增加,其比吸能率和吸能量也随之有所增加,随着泡沫铝密度的提高,比吸能率的提高量开始下降,但仍高于填充相同泡沫铝的单层管。